Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (Автоматизированная система мониторинга температуры грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железных и автомобильных дорог), страница 8

В результате были выбраны модули Apc220, так как они удовлетворяют всем предъявленным требованиям и за счет использования интерфейса UART легко интегрируются в различные устройства

1. Требования выдвигаемые к температурным датчикам

Учитывая малонаселённость и труднодоступность районов вечной мерзлоты. И суровые погодные условия датчики должны быть максимально энергоэффективными и отслеживать необходимые параметры, а именно температуру и относительную влажность. Точность измерений предъявляемая к датчикам составляет 0.1 C и соответствует ГОСТ 25358-82. Из предложенных на рынке, наиболее подходящим по характеристикам является датчик температуры и влажности DS18B20 - выполнен в виде модуля. Он же будет использован в тестовом макете устройства. В дальнейшем возможно будет заменён. Несколько таких датчиков будет определены в «косу», они и будет составлять многозонный цифровой датчик температуры.

1. Температурный датчик DS18B20

DS18B20 это цифровой измеритель температуры, с  разрешением преобразования 9 - 12 разрядов и функцией тревожного сигнала контроля за температурой, рисунок 24.

..

Рисунок 24 – Температурный датчик DS18B20

DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire. Этот протокол позволит подключить огромное количество таких датчиков, используя всего 1 цифровой порт контроллера, и всего 2 провода для всех датчиков: земли и сигнала. В этом случае применяется так называемое «паразитное питание», при котором датчик получает энергию прямо с линии сигнала. Каждый датчик имеет уникальный прошитый на производстве 64-битный код, который может использоваться микроконтроллером для общения с конкретным сенсором на общей шине. Код

Диапазон измерения температуры составляет от -55 до +125 °C. Для диапазона от -10 до +85 °C погрешность не превышает 0,5 °C.

Коротко об особенностях DS18B20:

– для однопроводного интерфейса 1-Wire достаточно одного порта связи с контроллером;

– каждое устройство имеет  уникальный серийный код длиной 64 разряда;

– возможность подключения нескольких датчиков через одну линию связи;

– нет необходимости во внешних компонентах;

– возможность получать питание непосредственно от линии связи. Напряжение питания в пределах 3,0 В … 5,5 В;

­– диапазон измерения температуры -55 ... +125 °C;

– погрешность не превышает 0,5 °C в диапазоне -10 ... +85 °C;

– разрешение преобразования 9 … 12 бит. Задается пользователем;

– время измерения, не превышает 750 мс, при максимально возможном разрешении 12 бит;

 – возможность программирования параметров тревожного сигнала.Тревожный сигнал передает данные об адресе датчика, у которого температуры вышла за заданные пределы;

– совместимость программного обеспечения с DS1822;

– крайне широкие области применения;

– датчик DS1822 имеет исполнение в защитном корпусе с влагозащитной по стандарту IP67.

Исходя из требований ГОСТ 25358-2012 необходимо решить задачу измерения и регистрации температуры с погрешностью ±0,1°C. В виду простоты подключения DS1822 и взаимодействия с микроконтроллером по однопроводному интерфейсу MicroLAN был выбран именно этот датчик, но основной недостаток его состоит в том, что погрешность заявленная производителем равна ±0,5°C в диапазоне от -10°C до +85°C, что значительно превышает допустимую. Тем мне менее по рекомендации (Application Note 208: Curve Fitting the Error of a Bandgap-Based Digital Temperature Sensor), можно уменьшить погрешность датчиков на основе температурной зависимости параметров кремниевого p-n-перехода (bandgap temperature sensing architecture).

Можно улучшить точность в 10 раз благодаря компенсации смещения кривой погрешности датчика.

Вот на рисунке ниже представлена кривая второго порядка изменения ошибки измерения датчика (для примера взят DS1631 он построен как и DS18B20 на том же принципе измерения температуры bandgap-based sensors) на измеряемом диапазоне температуры от -35°C до +85°C. Характеристика снималась в жидкостной ванне, ошибка измерялась относительно платинового резистивного датчика (RTD) и была записана с интервалом 5°C (рисунок 25).

Рисунок 25 – Ошибка относительно платинового резистивного датчика

Таким образом, для компенсации этой ошибки необходимо снять эту характеристику с датчика, который мы планируем использовать. И использовать математическую формулу, которая описывает эту кривую второго порядка:

Error = OFFSET + α(T_TS - T_{ZERO_SLOPE})²,   (9)

где TTS  температура измеренная датчиком,α— корректировочный коэффициент нашей кривой, TZERO_SLOPE  значение температуры в которой кривая ошибки имеет нулевой наклон (другими словами точка минимума на нашем графике выше это примерно 15°C, и OFFSET значение ошибки в точке TZERO_SLOPE. После определения значений , OFFSET и TZERO_SLOPE выражение (1) обеспечивает наиболее точное приближенное соответствие измеренных значений ошибки и вычисленных значений. Таким образом мы можем вычислить приближенную ошибку измерения при произвольной температуре и затем компенсировать эту ошибку вычитая значение вычисленной ошибки от измеренного значения температуры. Вот что получается:

T_COMP = T_TS - Error = T_TS - [OFFSET + α(T_TS - T_{ZERO_SLOPE})²].  (10)

Для достижения наилучшего результата с этой методикой, у каждого датчика температуры следует снять характеристику в необходимом диапазоне измерения, что бы наиболее точно определять ошибку вычисленную для каждого датчика.

Для того, что бы снять характеристику датчика DS18B20 был использован измерительный комплекс «TermoLAB», программа распространяется бесплатно. Этот комплекс позволяет подключить до 12 датчиков DS18B20 к компьютеру, где по каждому каналу измерения ведется журнал изменения температуры, а также есть возможность записывать данные на жесткий диск компьютера.

При вертикальном размещении «коса» будет исполнена более 10 м, при этом рекомендовано исполнение с армирующим элементом, для обеспечения заявленного расстояния и сохранения прочностных характеристик, между датчиками для избежания разрывов кабеля.

1. Выбор микроконтроллера системы  

Микроконтроллеры является основной частью системы. Он должен выполнять как функции управления, так и служить промежуточным звеном между исследуемым объектом и устройством верхнего уровня. На рис.1 представлена обобщенная функциональная схема автономного измерительного устройства. Сигналы с датчиков D1-Dn поступают на преобразователи сигнала П1-Пn, после чего оцифровываются в АЦП1-АЦПn и через порты ввода/вывода попадают непосредственно в микроконтроллер. Блок АЦП нужен не всегда, например, если встроенное АЦП микроконтроллера будет удовлетворяет техническим требованиям, то можно им воспользоваться.

1. Требования к ПЗУ микроконтроллера

Полученная информация будет храниться во внешнем ППЗУ, либо по интерфейсу передаваться в устройство верхнего уровня. С помощью микроконтроллера будет легко организовывать различные функциональные узлы, что приводит к минимизации затрат времени и денег. Это объясняется тем, что в нем помимо микропроцессорного блока существуют и ряд периферийных модулей, которые могут заменять дополнительные схемы. Так, цифровой порт ввода/вывода будет служить для управления какими-либо устройствами, и, одновременно принимать от них дискретные сигналы. Аналоговый порт/ввода вывода предназначен для тех же целей, только с аналоговыми сигналами. Последовательный порт незаменим для организации связи с другими микросхемами системы.

1. Требования к энергопотреблению микроконтроллера

Требования, предъявляемые к микроконтроллерам в автономных устройствах, несколько отличаются от стандартных требований. Тогда как в стационарных устройствах требования к пониженному энергопотреблению микроконтроллеров не являются определяющими, в автономных устройствах они выходят на передней план. Также следует не забывать и про надежность микроконтроллеров, а, следовательно, и всей системы, в нашем случае, автономная аппаратура вынуждена работать в полевых условиях.

Исходя из сохранения высокой автономной работы необходим микроконтроллер с расширенным либо с пониженном диапазоном питания. Микроконтроллеры с расширенным диапазоном питания относительно неприхотливы к напряжению питания и подходят к требованием системы. В то же время следует помнить, что микроконтроллеры с пониженным диапазоном питания обычно имеют меньшую максимальную частоту тактирования.

1. Дополнительные требования к микроконтроллеру

Для микроконтроллеров, которые питаются от автономного источника напряжения, обязательна функция сброса по снижению напряжения питания. Если напряжение микроконтроллера опускается ниже определенного значения на заданное время, то происходит сброс. Также следует не забывать про режимы пониженного энергопотребления микроконтроллера. В данных режимах микроконтроллер не выполняет часть своих функций, однако потребляет намного меньше тока. У каждого типа микроконтроллера существуют свои особенности в построении, которые зачастую существенно отличаются друг от друга. Наиболее распространенными являются восьмиразрядные микроконтроллеры, поэтому рассмотрим особенности построения средних семейств восьмиразрядных микроконтроллеров ведущих фирм, таких как Microchip (PIC-контроллеры), Motorola и Atmel (AVR), применительно к будущей системе устройствам.

1. Сравнение режимов пониженного электропитания микроконтроллеров

Микроконтроллеры фирмы Motorola семейства HC08 имеют 2 режима пониженного энергопотребления. В режиме ожидания (Wait mode) останавливается тактовый генератор центрального процессора, однако продолжается тактирование периферийных модулей и разрешаются прерывания. Также существует возможность программно отключать неиспользуемые периферийные модули, что приводит к меньшему энергопотреблению. Выход из этого режима может быть осуществлен по сигналу внешнего сброса, по переполнению сторожевого таймера, по запросу внешних прерываний и прерываний от периферийных модулей. В режиме останова (Stop mode) прекращается тактирование всей схемы микроконтроллера, и разрешаются прерывания. Выход из этого режима также может быть осуществлен по сигналу внешнего сброса и по запросу внешних прерываний.

У микроконтроллеров фирмы Microchip среднего семейства существует один режим энергосбережения – Sleep mode. В данном режиме выключается тактовый генератор микроконтроллера, сбрасывается сторожевой таймер, порты ввода/вывода свое состояние не изменяют. Выход из режима Sleep mode происходит при подачи сигнала внешнего сброса, при переполнении сторожевого таймера (если он разрешен) и при периферийном прерывании.

Для микроконтроллеров семейства Classic AVR предусмотрено 2 режима пониженного энергопотребления. При работе микроконтроллера в режиме холостого хода (Idle mode) центральный процессор останавливается, но продолжается тактирование таймеров/счетчиков и сторожевого таймера. Если прерывание от аналогового компаратора не требуется, то он может быть программно отключен. Выход из режима холостого хода происходит как от внешних прерываний, так и по переполнению таймеров/счетчиков или по сбросу сторожевого таймера. Когда микроконтроллер работает в экономичном режиме (Power Down Mode) останавливается генератор тактовых импульсов. Если разрешена работа сторожевого таймера, то выход из экономичного режима может произойти при его переполнении. В противном случае, выход произойдет только по сигналу внешнего сброса или внешнего прерывания.

Для микроконтроллеров семейства Classic AVR предусмотрено 2 режима пониженного энергопотребления. При работе микроконтроллера в режиме холостого хода (Idle mode) центральный процессор останавливается, но продолжается тактирование таймеров/счетчиков и сторожевого таймера. Если прерывание от аналогового компаратора не требуется, то он может быть программно отключен. Выход из режима холостого хода происходит как от внешних прерываний, так и по переполнению таймеров/счетчиков или по сбросу сторожевого таймера. Когда микроконтроллер работает в экономичном режиме (Power Down Mode) останавливается генератор тактовых импульсов. Если разрешена работа сторожевого таймера, то выход из экономичного режима может произойти при его переполнении. В противном случае, выход произойдет только по сигналу внешнего сброса или внешнего прерывания.